흙의 동상(frost heave)은 동토지반에서 발생하는 대표적인 공학적 특성으로 하수관거의 파괴, 도로 노면 균열, 지반구조물 파손 등 지반공학적 문제를 야기한다. 흙의 동상에 의한 지반공학적 문제 발생을 방지하기 위해 흙의 동상에 대한 정확한 이해가 필요하다. 선행 연구자들은 동상특성 규명을 위한 실내시험을 꾸준히 진행해왔다. 일방향동결을 활용한 실내 동상시험들은 ice lens, ice segregation, 간극수 상변화에 따른 9%의 부피팽창에 의해 흙의 동상이 발생한다는 것을 밝혀냈다. 뿐만 아니라 영하의 온도에서 비동결 구간으로 유지되는 frozen fringe가 흙의 동상거동 메커니즘의 핵심적인 역할을 수행한다는 사실을 밝혀냈다.
본 학위논문에서는 선행연구를 토대로 몇 가지 실험조건을 수정한 실내 동상시험 장비 소개, 검증, 시험법 정립과정에 대해 기술하였다. 본 학위논문에서 제안하는 시험 장비의 주요 특징은 삼면으로 온도제어가 가능한 투명 동결몰드를 사용하여 시료의 상부, 하부, 주변부 온도를 개별적으로 제어할 수 있다는 점이다. 부동액 순환을 통해 시료의 주변부 온도를 제어함으로써 외기온도에 의한 영향을 차단하였기 때문에 시료냉각을 위한 별도의 냉동챔버가 필요하지 않다. 또한 흙 시료의 동상발현을 몰드를 통해 육안으로 관측할 수 있다는 장점이 있다.
시험 장비를 검증하는 과정에서 동결된 시료와 몰드의 경계에서 발생하는 동착력, 동상시험 시 물의 유출방지 및 주입량 측정을 위해 상부 페데스탈에 설치한 O-ring과 몰드의 경계에서 발생하는 마찰력이 동상발현에 영향을 미칠 수 있음을 발견하였다. 시료의 동결방향을 하부에서 상부로 설정하여 동착력이 동상에 미칠 수 있는 영향을 최소화하였고, 상부 페데스탈에 설치한 O-ring을 제거하여 O-ring과 몰드의 경계에서 발생할 수 있는 마찰력이 시료의 동상거동에 미칠 수 있는 영향을 최소화하였다. 이 과정에서 표준 동상시험법들의 동결방향, 동결몰드, 외기온도 등 경계조건 설정 이유에 대해 파악하였다. 이를 토대로 매우 간단하고 개선된 KICT 동상시험법을 정립하여 제안하고 있다. 새롭게 정립한 KICT 동상시험법을 활용해 frozen fringe의 두께()와 동상거동에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 그 결과 가 동상거동을 결정하는 핵심인자임을 밝혀냈으며, 이는 frozen fringe가 흙의 동상 메커니즘의 핵심적인 역할을 한다는 기존의 연구결과들을 뒷받침하고 있다.
흙의 동상에 의한 지반구조물 피해 방지를 위해 흙의 동상민감성을 판정하고 그 결과로 동상발생을 예측하여 방지대책을 수립하여야 한다. 흙의 동상민감성 판정 기준에는 흙의 입경에 의한 판정 기준, 실내 동상시험에 의한 판정 기준, 이 두 가지를 모두 고려한 복합적인 판정 기준이 있다. 이 가운데 가장 신뢰성이 보장되는 판정 기준은 실내 동상시험에 의한 판정 기준이다. 그 중에서도 가장 널리 활용되는 방법은 흙의 동상을 발생시키는 핵심구간인 frozen fringe의 특징 변화를 토대로 흙의 동상민감성을 판정하는 Segregation Potential(SP) 계수를 활용한 동상민감성 판정이다. SP계수는 실내 동상시험 시 ice lens 형성을 위해 외부로부터 공급되는 물의 주입속도()와 frozen fringe 온도구배()의 비로 정의된다. 시간에 따라 변하는 SP계수를 활용해 동상민감성을 판정하기 위해서는 시료내부 온도가 수렴하는 시점()과 그 시점에서의 가 필요하다. 본 학위논문에서는 시간에 따른 시료내부 온도를 측정하지 않고 를 예측하는 방안을 제안하여 시험방법의 복잡성을 해소할 수 있음을 보여주고 있다. 또한, 와 동상속도가 서로 치환될 수 있음을 확인하였다. 따라서 상부 페데스탈의 O-ring을 제거한 동상속도를 활용하여 SP계수를 도출하는 것이 신뢰성 측면에서 유리함을 보여주고 있다.